微光夜视的技术

显然，二者都与电子流的密度密切相关。 二 者的比为：Fe/Fm = (c/v)2 由此式可知，因总有 c > v,故电子束总是 趋于“发散”，使电子透镜系统不能实现理 想 的“聚焦”，即存在所谓的电子透镜的像差。 例：加速电压 104伏，则电子速度为 0.2c, 两力的比为25。 由于电子透镜系统与电子流密度无关，且由 于库伦力本身的性质，使得电子光学系统不 可能消除这种像差。
例：800m距离处的穿甲弹爆炸，可在夜视仪 荧光屏上产生约 500W· mm-2 的功率密度， 屏温可达500-1000°C。一般荧光屏可 承 受的电子流为10-200W· mm-2。 荧光屏的保护 动态散焦法： R = 100M 光照度<0.1lx I < 0.1A VR <10V
光照度 10lx I 1A VR 100V 可使电子光学系统散焦。 若有强光， I 可达 5 - 10 A， VR >1000V, 破坏成像效果，电子束的广泛弥散使其到达 荧屏时密度下降， 从而保护荧屏。 电阻降压法： R --几百兆 光电流增大，
微光夜视仪技术
夜视仪效果图
一、简介
微光夜视技术致力于探索夜间和其它低光照度 时目标图像信息的获取、转换、增强、记录和 显示。它的成就集中表现为使人眼视觉在时域、 空间和频域的有效扩展。 在军事上，微光夜视技术已实用于夜间侦查、 瞄准、车辆驾驶、光电火控和其它战场作业， 并可与红外、激光、雷达等技术结合，组成完 整的光电侦查、测量和警告系统。
无月时各辐射的比例为： 星光及其散射光 大气辉Biblioteka Baidu 黄道光 银河光 后三项的散射光
30% 40% 15% 5% 10%
3、夜天辐射产生的景物亮度
三、微光夜视仪概论
以像增强器为核心部件的微光夜视器材称 之为微光夜视仪。它使人类能在极低照度 (10-5 lx)条件下有效地获取景物图像的信 息。 1、组成与原理 主要部件：强光力物镜、像增强器、 目镜和电源。 从原理上看，微光夜视仪是带有像增强 器的特殊望远镜。
此外，它可将目标倒像正立过来，并实现 104量级的亮度增益，最高分辨可达 35lp/mm。 光纤面板： 有效传光效率总是小于1。约为50%-60%. 根据需要，光纤面板端面可制成平面或凹 球面。其平-凹球面型面板可用于准球对称 电子光学系统。 光纤面板可分为普通的、变放大率的锥形 光纤面板及其转像作用的扭像光纤面板。
与MCP技术的成像器件（薄片管），把微光夜视仪 推进到第三代，工作波段也向长波延伸。 60年代研制出的电子轰击硅靶(EBS)摄像管和 二次电子电导(SEC)摄像管与像增强器耦合产生 第一代微光摄像管。 80年代以来，由于电荷耦合器件(CCD)的发展， 不断涌现新的微光摄像器件。像增强器通过光纤 面板与CCD耦合，做成了固态自扫描微光摄像 组件，和以它为核心的新型微光电视。
其中波长为 0.75~2.5m 的红外辐射 则主要来自 氢氧根离子 的气辉，它 比其它已知 的气辉发射 约强1000倍。
2、黑天辐射的特点 特点： 夜天辐射除可见光外，还包含丰富的近 红外辐射。且无月星空天近红外辐射为 主要成分。故伟光也是技术必须充分考 虑这一点，有效利用波长延伸至1.3m 的近红外辐射。 有月和无月夜天辐射的光谱分布相差较 大，满月月光的强度比星光高出约 100倍。
电源： 带有自控荧光屏亮度的功能，反应时间为 0.1秒。 目镜： 除具有放大作用外，其目镜出瞳直径与人 眼微光下的瞳孔直径(57.6mm)一致。 4、第一代微光夜视仪
单级像增强器的亮度增益通常只有50-100， 太低不能用于军事。故采用多级串联的方 式。以满足几万倍的光增益要求。 光纤面板耦合结构： 入射、出射窗口均用光纤面板做成单级像 增强器，将它首尾相接耦合，构成现常用 的光纤面板耦合三级级联式像增强器，即 第一代像增强器。 在此，光纤面板可将球面像转换为平面像 而完成级间耦合。
为3040lp/mm,故要求物镜具有很好的低 通滤波性能。
调制传递函数 调制度—可见度 M = (Imax-Imin)/Itol 调制度传递因子与空间频率的函数关系 称为调制传递函数。 MTF—Modulation Transfer Function 如希望其在12.5及25lp/mm频率上分别有 MTF0.75及MTF0.55的对比传递特性. 像增强器: ⑴ 要求像增强器具有足够高的亮度增益GL.
62年出现了微通道电子倍增器，70年研制出 了实用电子倍增器件MCP-微通道板像增强器， 并在此基础上研制了第二代微光夜视仪。 70年代发展起来的高灵敏度摄像管与MCP像增 强器耦合，制成了性能更好的微光摄像管和 微光电视。82年英军在马岛战争中使用，取 得了预期的夜战效果。 65年J.Van Laar 和J.J.Scheer制成了世界上第 一个砷化镓(GaAs)光电阴极。79年美国ITT 公司研制出利用GaAs负电子亲和势光电阴极
二、黑天辐射基础
黑天辐射来自于太阳、地球、月亮、星球、 云层、大气等自然辐射源。 1、自然辐射 太阳 直径：1391200公里 辐射类似于色温为5900K的黑体辐射 辐射之地表的光波范围0.3~3m 可见光区0.38 ~ 0.76m更为突出
月亮
辐射有两部分:反射太阳的辐射;自身辐射. 月亮自身辐射与色温为400K的黑体辐射相似
荧光屏： 常用于像增强荧光屏的材料有两种： 以硫化锌为基质参银激活的ZnS:Ag 以硫化锌镉为基质参银激活的ZnS•CdS:Ag 荧光屏的底层是以这类晶态磷光体微细颗 粒 (直径为 1～５m)沉积而得到的薄层，其厚 度稍大于颗粒直径，为 1～8m。显然，颗 粒越细则图像分辨率越高，但发光效率就 越低。一般取颗粒直径与底层厚度相近。 底层厚度大有利于对入射电子的吸收，
2、对各部件的技术要求 物镜： ⑴ 为使像面有足够的照度，物镜应有尽可 能大的像对孔径(D/f)。 ⑵ 为了像增强器阴极上目标图像照度均匀， 轴外物点的光线应尽量多地参与成像， 从而要求物镜的渐晕系数尽可能大。 E = kE0(cos ´ )4 E --轴外像点照度 k---渐晕系数 ⑶ 由于一般像增强器极限空间分辨力不高，
外加的静电场或电磁复合场的作用下，电 子流被强烈的加速和聚焦，以很大的能量 撞击荧光屏，形成可见光图像。由于这些 电磁场对于电子束的作用与光学透镜对可 见光的作用一样，故称产生电磁场的装置 叫电子光学系统，也称电子透镜。 电子透镜分为双平面近贴型、电磁复合聚 焦型和准球对称型三种。 双平面近贴型：光电阴极为物面，荧光 屏为像面，其间距小且为平面。两者间 加有均匀静电场。
实验表明，(Na2KSb)Cs光电阴极属p型半 导体材料。在具有正电子亲和势的光电阴 极中，多碱光电阴极是光电灵敏度最高的
一种（最高已达700 A⋅lm-1)。 (Na2KSb)Cs光阴极有多种类型。改进的多 碱光电阴极其厚度略有增加，故可有效地 利用光吸收特性。由于其光吸收系数随波 长增大而变小，故可借厚度的调整来改善 其光谱响应特性。
但有碍于荧光的有效射出。 荧光屏的表面附有一层铝膜，厚度为0.1m， 覆盖在荧光粉上。其作用有三： 防止荧光反馈到光电阴极。 把光反射到输出方向上。 保证荧光屏形成等电位面。 在不透光的前提下，铝膜应尽量的薄。在充 有氩气状态下蒸镀的铝膜为黑色膜，有利于 改善输出图像的对比度。
ZnS•CdS:Ag为黄绿光荧光屏，其光谱分布 与人眼视觉特性匹配较好，故适用于目视。 它具有中短余辉和较高的发光效率(15cd/W)。 ZnS:Ag为蓝光荧光屏，适于摄影， 3cd/W。 强光保护： 强闪光被夜视仪物镜聚焦，会产生很强的光阴 极发射，从而造成光阴极发生疲劳性损伤，或 永久性破坏。此外，光电子密度过大时，荧光 屏会出现过热现象，易烧毁荧光材料。
地球
辐射有两部分: 反射的太阳辐射， 峰值在 0.5m 附近;自身的辐射, 峰值约波长为 10m。夜间以 后者为主。
显然，地球自身的辐射大部分在814m的远红 外，正好是大气的第三个窗口。
星球 贡献较小，照度为2.210-4 lx，约为无月夜空光 量的1/4。 大气辉光 大气辉光产生于地球上空约70100km高度的大 气层中，是夜天辐射的重要组成部分，约占无 月夜天光的40%。 阳光中的紫外辐射在高层大气中激发原子，并 与分子发生低频率的碰撞，是产生大气辉光的 主要原因。表现为原子钠、原子氢、分子氧、 氢氧根离子等成分的发射。
例如：在有效逸出深度允许的范围内增加光电 阴极的厚度，可以提高其对长波段的光谱响应， 把光电阴极的长波阈延伸至0.9 m以上，且 积分灵敏度显著提高，电子亲和势降至0.3eV. 这类阴极在常温下热发射电流很小， 约10-16 A⋅cm-2,电阻率较低，故可允许较大的 发射电流密度。 电子透镜： 光电阴极将目标图像变为电子图像。构成电子 图像的电子在刚离开阴极时形成低速电流。在
电磁复合聚焦型：与相同，只是在电 场方向又加以均匀磁场。 准球对称型：理想的球对称型静电电子 透镜系由球面光阴极和球形阳极组成， 二者为同心球面，形成中心对称型电场。 一般采用开孔阳极，使聚焦电子得以通 过。故称准球对称型电子透镜。 在电子束中，电子受到电子间的相互排斥 力Fe,及电子束产生的磁场的“会聚力”Fm 的作用。
微光夜视技术的发展以1936年P.Gö rlich发明 锑铯(Sb-Cs)光电阴极为标志。A.H.Sommer1955 年发明了锑钾钠铯(Sb-K-Na-Cs)多碱光电阴极 (S-20)，使微光夜视技术进入实质性发展阶段。 1958年光纤面板问世，加之当时荧光粉性能的 提高，为光纤面板耦合的像增强器奠定了基础。 62年美国研制出这种三级及联式像增强器，并 以次为核心部件制成第一代微光夜视仪，即所 谓的“星光镜”—AN/PVS-2,并用于越战。
相关最小光增益 Gm 4.33103/2 --人眼暗适应时量子效率 --目镜倍率 ⑵ 像增强器响应度应尽量高。 ⑶ 良好的光谱匹配是像增强器能有效工 作的必要条件。这是指：光阴极光谱 响应与自然微光辐射光谱的匹配、荧 光屏辐射光谱与人眼光谱响应的匹配、 前级荧光屏与后级光阴极的光谱匹配 等。 ⑷ 由于自然热发射等因素，像增强器总
在制成透射式光电阴极时，其厚度约为 0.1m,
表面吸附着单原子铯层。实验表明，光电阴极 (Na2KSb)Cs中的铯含量高于单原子铯层的需要 量，这表明铯的作用不仅局限于表面效应，而 且有体效应特征。铯的引入使晶格常数由原来 Na2KSb的7.7270.003Å变为(Na2KSb)Cs的 7.7450.004Å。有利于在晶格中引入更多的锑， 使p型参杂浓度增加，导致表面能带进一步下弯， 降低电子亲和势。由光电发射的长波阈可推算 出电子亲和势约为0.55eV.
以光纤面板之间的光学接触直接耦合传像， 可提高传递图像的导光效率；提供了采用 准球对称电子光学系统的可能性，有利于 改善像质。若采用锥形光纤面板，则可改 变传像的倍率（放大或缩小）；采用扭像 光纤面板可实现转像。 多碱光电阴极： 化学组分：(Na2KSb)Cs 主体： Na2KSb Na和K的比例为2:1,含少量的铯，多晶薄 膜。
会产生噪声。噪声在荧光屏上产生与之 相对应的背景亮度，从而限制了像增强 器可探测的最小照度值。此值叫等效背 景照度(EBI). 通常为 10-7 lx数量级。 ⑸ 频率传递性能应尽量好。作为一种低通 滤波器，像增强器的传递特性可用MTF 曲线来描述。 MTF < min{MTFi} 频率传递性能也包含了对光阴极中央区 域空间分辨力的要求。
微弱自然光由目标表面反射进入夜视仪； 在强光力物镜作用下聚焦于像增强器的光 阴极面（与物镜后焦面重合），即发出电 子；光电子在像增强器内部电子光学系统 的作用下被加速、聚焦、成像，以及高速 度轰击像增强器的荧光屏，激发出足够强 的可见光，从而把一个被微弱自然光照明 的远方目标变成适于人眼观察的可见光图 像，经目镜的进一步放大，实现有效地目 视观察。